湍流垂直加热管流动中热传递的最优体力
流体动力学
2025-09-24 v2
摘要
垂直加热管广泛应用于热力学工程应用，因为浮力可帮助驱动流动，但存在多种可能的流动模式：剪切驱动湍流、层流化和对流湍流。以前的研究独立于浮力力、因而独立于流动模式和时间依赖动力学，计算了最大化热传递的稳定速度场。在本工作中，应用变分方法寻找一种受限幅度的最优体力，以最大化垂直布置下的热传递，速度场受由完整控制方程约束。在我们的计算中，主要在Re=3000时发现，沿程无关的卷积仍然最优，正如以前的稳态优化一样，但最优卷积数量及其径向位置取决于流动模式。令人惊讶的是，尽管通常认为湍流可增强热传递，但对于强加力情况，时间依赖性通常会导致降低。除了为此应用的卷积配置提供潜在的改进之外，更广泛的含义是，针对稳态流动假设的优化可能高估了热传递的改进，而仅试图诱导湍流的策略也不一定有效地增强热传递。包括时间依赖性和完整控制方程的优化虽然具有挑战性，但可提供进一步的提升并提高预测可靠性。
引用
@article{arxiv.2504.15891,
title = {Optimal body force for heat transfer in turbulent vertical heated pipe flow},
author = {Shijun Chu and Elena Marensi and Ashley P. Willis},
journal= {arXiv preprint arXiv:2504.15891},
year = {2025}
}